Two separate phylogenetic studies were performed for two different taxonomic levels within Hymenoptera. The first study examined the utility of expressed sequence tags for resolving relationships among hymenopteran superfamilies. Transcripts were assembled from 14,000 sequenced clones for 6 disparate Hymenopteran taxa, averaging over 660 unique contigs per species. Orthology and gene determination were performed using modifications to a previously developed computerized pipeline and compared against annotated insect genomes. Sequences from additional taxa were added from public databases with a final dataset of 24 genes for 16 taxa. The concatenated dataset recovered a robust and well-supported topology; however, there was extreme incongruity among individual gene trees. Analyses of sequences indicated strong compositional and transition biases, particularly in the third codon positions. The use of filtered supernetworks aided visualization of the existing congruent phylogenetic signal that existed across the individual gene trees. Additionally, treeness triangle plots indicated a strong residual signal in several gene trees and across codon positions in the concatenated dataset. However, most analyses of the concatenated dataset recovered expected relationships, known from other independent analyses. Thus, ESTs provide a powerful source of information for phylogenetic analysis, but results are sensitive to low taxonomic sampling and missing data. The second study examined subfamilial relationships within the parasitoid family Braconidae, using over 4kb of sequence data for 139 taxa. Bayesian inference of the concatenated dataset recovered a robust phylogeny, particularly for early divergences within the family. There was strong evidence supporting two independent lineages within the family: one leading to the noncyclostomes and one leading to the cyclostomes. Ancestral state reconstructions were performed to test the theory of ectoparasitism as the ancestral condition for all taxa within the family. Results indicated an endoparasitic ancestor for the family and for the non-cyclostome lineage, with an early transition to ectoparasitism for the cyclostome lineage. However, reconstructions of some nodes were sensitive to outgroup coding and will also be impacted with increased biological knowledge.

Dentre as doze subfamílias de Stratiomyidae, Sarginae conta com 22 gêneros e 562 espécies mundiais, sendo 267 destas neotropicais. Não há análise cladística para a subfamília e tão pouco para os gêneros. Boa parte dos gêneros em Sarginae são mal delimitados, com diagnoses baseadas principalmente em plesiomorfias. O gênero Acrochaeta enquadra-se nessa situação, uma vez que muitas espécies de Merosargus têm sido identificadas como pertencentes à Acrochaeta, por conta da presença de antenas longas e mesmo padrão de coloração no escudo entre as espécies de ambos os gêneros. Somam-se a isso, as imprecisões taxonômicas e morfológicas nas descrições das espécies de Acrochaeta e Merosargus, e a ausência de ilustrações de genitálias masculina e feminina, informação muito útil na delimitação dos gêneros. Para tanto, o presente trabalho realizou a revisão taxônomica e uma análise cladística de Acrochaeta com o objetivo de delimitar o gênero sob um ponto de vista filogenético. O gênero Acrochaeta com este estudo passa a ter 15 espécies conhecidas (sete já descritas e oito novas). No presente estudo, três espécies de Acrochaeta foram transferidas para Merosargus: M. chalconota comb. nov, M. longiventris comb. nov. e M. picta comb. nov. Outra foi transferida para Chrysochlorina (Chrysochlorininae): C. elegans comb. nov. Além disso, M. convexifrons foi transferida para Acrochaeta: A. convexifrons comb. nov. O gênero e as sete espécies conhecidas foram redescritas, e as novas espécies descritas. Uma chave dicotômica para espécies do gênero também é apresentada. A análise cladística contou com 45 táxons terminais e 63 caracteres morfológicos, obtendo quatro árvores mais parcimoniosas (pesagem igual). O consenso estrito dessas quatro árvores foi escolhido como referência para a discussão sobre os principais problemas de homologia, posicionamento de espécies, evolução de caracteres e formação de grupos de espécies dentro do gênero. A monofilia de Acrochaeta foi recuperada por caracteres de cabeça, tórax e abdômen. Um clado dentro do gênero foi bem caracterizado, principalmente por caracteres de genitália masculina. Além disso, a ampliação da amostragem fora do gênero permitiu obter resultados preliminares sobre a não-monofilia de Merosargus, uma vez que algumas espécies são mais próximas de Acrochaeta e Himantigera do que da espécie-tipo do gênero, Merosargus obscurus. / Among the twelve subfamilies of Stratiomyidae, the Sarginae include 22 genera and 562 described species worldwide, of which 267 are Neotropical. There is still not a cladistic analysis for the subfamily or to the genera. Most of the Sarginae genera are poorly delimited, with diagnosis based mainly on plesiomorphies. The Acrochaeta falls into this situation, because many species of Merosargus have been identified as Acrochaeta due to the presence of elongated antenna and the similar color pattern of scutum between species of both genera. In addition, there is taxonomic and morphological inaccuracy in descriptions of species of Acrochaeta and Merosargus, and lack of illustrations of male and female genitalias of the species, information that could be useful in the delimitation of the genera. This study, hence, makes a taxonomic revision and a cladistic analysis of the genus Acrochaeta, aiming to define the genus from phylogenetic perspective. The Acrochaeta now includes 15 species (seven described and eigth new species). In this study, three Acrochaeta species were transferred to Merosargus: M. chalconota comb. nov, M. longiventris comb. nov. and M. picta comb. nov. Another was moved to Chrysochlorina (Chrysochlorininae): C. elegans comb. nov. In addition, M. convexifrons were moved to Acrochaeta: A. convexifrons comb. nov. The genera Acrochaeta and all previously described species were redescribed, and the new species were described. An identification key to species of the genus is provided. A cladistic analysis is performed, 45 terminal taxa and 63 morphological characters, resulting in four most parsimonious trees (equal weighting). Problems of homology, the position of species in the topology, character evolution and robustness of clades are discussed based on the strict consensus phylogeny. The monophyly of Acrochaeta was recovered by characters of head, thorax and abdomen. An inner clade in the genus was recovered, especially based on characters of the male genitalia. Furthermore, a wide selection of outgroups allowed preliminary results on the non-monophyly of Merosargus, because some of its species being closer to Acrochaeta and Himantigera than a clade that includes the type-species of the genus, Merosargus obscurus.

Tadpoles represent a key element in evolutionary history and the diversification of anurans. Through a two-phase life cycle, anurans can take advantage of the available resources in terrestrial and aquatic environments. Several studies have demonstrated that larval morphology may represent an important source of evidence for evolutionary studies. However, tadpoles are often ignored and little is known about their anatomy and biology. An example of this problem is the superfamily Dendrobatoidea, for which there is almost no information on tadpoles. This study aims to fill this gap. I performed a cladistic analysis of the superfamily Dendrobatoidae with emphasis on larval characters. The final dataset also included adult phenotypic characters and DNA sequences. The final matrix was composed of 621 terminals and more than 500 phenotypic characters of which 392 were individualized from larval systems, such as chondrocranium, cranial musculature and buccopharungeal anatomy. In my optimum hypothesis I recovered Dendrobatoidea as well as all its subfamilies and genera as monophyletic. Larval characters optimized as synapomorphies at different levels. Based on the topology and distribution of the characters, I discuss the evolution of several lifestyles and morphologies, such as oophagy, endotrophy, and carnivory in Dendrobatoidea / Girinos representam um elemento chave na história evolutiva e na diversificação dos anuros. Através de um ciclo de vida bifásico, os anuros conseguem aproveitar os recursos disponíveis tanto no ambiente terrestre como no aquático. Vários estudos demonstraram que a morfologia larvar pode representar uma importante fonte de evidências para estudos evolutivos. No entanto, girinos frequentemente são ignorados e pouco se sabe sobre sua anatomia e biologia. Um exemplo dessa problemática é a superfamília Dendrobatoidea, para a qual quase não há informações sobre seus girinos. O presente estudo visa contribuir para o preenchimento dessa lacuna. Eu realizei uma análise cladística da superfamília Dendrobatoidae, tendo como foco caracteres larvais. O dataset final também incluiu caracteres de adulto e sequências de DNA. A matriz final foi composta por 621 terminais e mais de 500 caracteres fenotípicos, dos quais 392 foram individualizados de sistemas larvais como condrocrânio, musculatura craniana e cavidade buccopharingeal. Em minha hipótese ótima, eu recuperei Dendrobatoidea bem como todas suas subfamílias e gêneros monofiléticos. Caracteres larvais otimizaram como sinapomorfias em diferentes níveis. Mediante a topologia e a distribuição dos caracteres, eu discuto a evolução de uma série de modos de vida e morfologias, como a oofagia, o endotrofismo e a carnivoria em Dendrobatoidea

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Since evolution is considered the unifying thread for the biological sciences, biology Since evolution is considered the unifying thread for the biological sciences, biology education should have an evolutionary perspective in its various contents. To promote a coherent teaching and learning in biology, especially in the field of systematics and taxonomy of living beings, it is necessary to understand the dynamics of life guided by the evolutionary process. A real possibility of evolutionary approach is the use of cladograms in teaching topics such as zoology, botany and physiology, among others. The Phylogenetic Systematics is a methodology for classification of organisms that seeks to reflect the evolutionary history of groups and bring them together based on the degree of phylogenetic relatedness. The importance of Phylogenetic Systematics be effectively worked in schools in a clear and precise way, making integration with several other knowledge, pointed to the relevance of diagnosing different notions that teachers have regarding this topic and the contribution of textbooks. This study aims: 1) to investigate teachers' conceptions about concepts and relevance of biological evolution and phylogenetic systematics in teaching animal diversity; 2) consider whether to approach the subject in textbooks may contribute to the understanding of evolution as a dynamic and non-linear process, stimulating development of the tree thinking by the student; and 3) to prepare a model of activity on the subject for pedagogical practice of teachers. A survey of teachers used a quantitative and qualitative approach, through the analysis of a questionnaire applied to teachers of science and biology. For the analysis and interpretation of the data we used the technique of the Discourse of the Collective Subject,, which is a possibility of preliminary analysis of the reports of the subjects to select the participants central ideas. The questionnaire also contained questions related to the interpretation of phylogenies. The results showed that most teachers use the description of the morphological and physiological characteristics of animals in classes, as well as they recognize the importance of approaching evolution through the phylogenetic systematics, but have difficulty in interpreting and using this tool. The analysis of the textbooks showed that the works have important aspects, such as description of events and procedures for construction of cladograms, and can contribute to the teaching of the "thinking tree". The didactic material prepared in the form of a board game can be a tool to support classes on the subject. Thus, the analysis of the possibilities of use of phylogenetic systematics as didactic transposition method for teaching science held by the teacher and the textbook, based on evolutionary approach, revealed the need to contribute to a reflection of the teacher's pedagogic practice. Furthermore, the indispensability of charting new paths in teaching and learning process, consistent with current scientific knowledge. / Como a evolução é considerada a linha unificadora para as Ciências Biológicas, o ensino de Biologia deveria ter uma perspectiva evolutiva em seus diversos conteúdos. Para promover um ensino e aprendizagem coerente em Biologia, em especial na área da sistemática e taxonomia dos seres vivos, é necessário entender a dinâmica da vida orientada pelo processo evolutivo. Uma possibilidade real de abordagem evolutiva é a utilização de cladogramas no ensino de tópicos como zoologia, botânica e fisiologia, entre outros. A Sistemática Filogenética é uma metodologia de classificação dos organismos que busca refletir a história evolutiva dos grupos e reuni-los com base no grau de parentesco filogenético. A importância da Sistemática Filogenética ser efetivamente trabalhada nas escolas de forma clara e precisa, fazendo a integração com diversos outros conhecimentos, apontou para a pertinência de diagnosticar diferentes noções que professores têm a respeito deste tema e a contribuição dos livros didáticos. Este estudo tem como objetivos: 1) investigar as concepções dos professores sobre conceitos e relevância da evolução biológica e da sistemática filogenética no ensino da diversidade animal; 2) analisar se a abordagem do tema em livros didáticos pode contribuir para o entendimento da evolução como um processo dinâmico e não linear, estimulando o desenvolvimento do pensamento em árvore (tree thinking) por parte do aluno; e 3) preparar um modelo de atividade sobre a temática para prática pedagógica dos professores. A pesquisa com professores utilizou uma abordagem quanti-qualitativa, tendo como instrumento de coleta um questionário aplicado a professores de Ciências e Biologia. Para a análise e interpretação dos dados foi utilizada a técnica do Discurso do Sujeito Coletivo, sendo esta uma possibilidade de análise preliminar dos relatos dos sujeitos para selecionar as ideias centrais dos participantes. O questionário aplicado também continha questões relacionadas à interpretação de filogenias. Os resultados mostraram que a maioria dos professores utiliza a descrição das características morfológicas e fisiológicas no estudo dos animais, reconhece a importância de abordagem evolutiva através da sistemática filogenética, mas tem dificuldade de interpretação e uso dessa ferramenta. A análise dos livros didáticos mostrou que as obras apresentam aspectos relevantes, como descrição de acontecimentos e procedimentos para construção de cladogramas, podendo contribuir com o ensino do pensamento em árvore . O material didático elaborado em forma de jogo de tabuleiro pode representar uma ferramenta de apoio docente nas aulas sobre o assunto. Dessa forma, a análise das possibilidades de uso da sistemática filogenética como método de transposição didática para o ensino de Ciências, realizada pelo professor e pelo livro didático, pautado numa abordagem evolutiva, revelou a necessidade de contribuir para uma reflexão da prática pedagógica do professor. Além disso, a imprescindibilidade de traçar novos caminhos no processo ensino e aprendizagem, compatíveis com o conhecimento científico atual.

Dentre as doze subfamílias de Stratiomyidae, Sarginae conta com 22 gêneros e 562 espécies mundiais, sendo 267 destas neotropicais. Não há análise cladística para a subfamília e tão pouco para os gêneros. Boa parte dos gêneros em Sarginae são mal delimitados, com diagnoses baseadas principalmente em plesiomorfias. O gênero Acrochaeta enquadra-se nessa situação, uma vez que muitas espécies de Merosargus têm sido identificadas como pertencentes à Acrochaeta, por conta da presença de antenas longas e mesmo padrão de coloração no escudo entre as espécies de ambos os gêneros. Somam-se a isso, as imprecisões taxonômicas e morfológicas nas descrições das espécies de Acrochaeta e Merosargus, e a ausência de ilustrações de genitálias masculina e feminina, informação muito útil na delimitação dos gêneros. Para tanto, o presente trabalho realizou a revisão taxônomica e uma análise cladística de Acrochaeta com o objetivo de delimitar o gênero sob um ponto de vista filogenético. O gênero Acrochaeta com este estudo passa a ter 15 espécies conhecidas (sete já descritas e oito novas). No presente estudo, três espécies de Acrochaeta foram transferidas para Merosargus: M. chalconota comb. nov, M. longiventris comb. nov. e M. picta comb. nov. Outra foi transferida para Chrysochlorina (Chrysochlorininae): C. elegans comb. nov. Além disso, M. convexifrons foi transferida para Acrochaeta: A. convexifrons comb. nov. O gênero e as sete espécies conhecidas foram redescritas, e as novas espécies descritas. Uma chave dicotômica para espécies do gênero também é apresentada. A análise cladística contou com 45 táxons terminais e 63 caracteres morfológicos, obtendo quatro árvores mais parcimoniosas (pesagem igual). O consenso estrito dessas quatro árvores foi escolhido como referência para a discussão sobre os principais problemas de homologia, posicionamento de espécies, evolução de caracteres e formação de grupos de espécies dentro do gênero. A monofilia de Acrochaeta foi recuperada por caracteres de cabeça, tórax e abdômen. Um clado dentro do gênero foi bem caracterizado, principalmente por caracteres de genitália masculina. Além disso, a ampliação da amostragem fora do gênero permitiu obter resultados preliminares sobre a não-monofilia de Merosargus, uma vez que algumas espécies são mais próximas de Acrochaeta e Himantigera do que da espécie-tipo do gênero, Merosargus obscurus. / Among the twelve subfamilies of Stratiomyidae, the Sarginae include 22 genera and 562 described species worldwide, of which 267 are Neotropical. There is still not a cladistic analysis for the subfamily or to the genera. Most of the Sarginae genera are poorly delimited, with diagnosis based mainly on plesiomorphies. The Acrochaeta falls into this situation, because many species of Merosargus have been identified as Acrochaeta due to the presence of elongated antenna and the similar color pattern of scutum between species of both genera. In addition, there is taxonomic and morphological inaccuracy in descriptions of species of Acrochaeta and Merosargus, and lack of illustrations of male and female genitalias of the species, information that could be useful in the delimitation of the genera. This study, hence, makes a taxonomic revision and a cladistic analysis of the genus Acrochaeta, aiming to define the genus from phylogenetic perspective. The Acrochaeta now includes 15 species (seven described and eigth new species). In this study, three Acrochaeta species were transferred to Merosargus: M. chalconota comb. nov, M. longiventris comb. nov. and M. picta comb. nov. Another was moved to Chrysochlorina (Chrysochlorininae): C. elegans comb. nov. In addition, M. convexifrons were moved to Acrochaeta: A. convexifrons comb. nov. The genera Acrochaeta and all previously described species were redescribed, and the new species were described. An identification key to species of the genus is provided. A cladistic analysis is performed, 45 terminal taxa and 63 morphological characters, resulting in four most parsimonious trees (equal weighting). Problems of homology, the position of species in the topology, character evolution and robustness of clades are discussed based on the strict consensus phylogeny. The monophyly of Acrochaeta was recovered by characters of head, thorax and abdomen. An inner clade in the genus was recovered, especially based on characters of the male genitalia. Furthermore, a wide selection of outgroups allowed preliminary results on the non-monophyly of Merosargus, because some of its species being closer to Acrochaeta and Himantigera than a clade that includes the type-species of the genus, Merosargus obscurus.

North American bison (Bovidae: Bison bison) incur blunt impacts to the interparietal and frontal bones when they engage in head-to-head fights. To investigate the impact mitigation of these bones, a finite element analysis of the skull under loading conditions was performed. Based on anatomical and histological studies, the interparietal and frontal bones are both comprised of a combination of haversian and plexiform bone, and are both underlain by bony septa. Additionally, the interparietal bone is thicker than the frontal. Data regarding the mechanical properties of bison bone are scarce, but the results of a phylogenetic analysis infer that the material properties of the closely-related domestic cow bone are a suitable proxy for use in the FEA. Results of the FEA suggest that the thickness of the interparietal in conjunction with the bony septa may prevent focal stresses by helping to absorb and disperse the blunt impact energy about the skull.

I evaluate the methods of cladistic parsimony and maximum likelihood in phylogenetic systematics by their affinity to Popper‘s degree of corroboration. My work analyzes an important recent exchange between the proponents of the two methods. Until this exchange, only advocates of cladistic parsimony have claimed a basis for their method on epistemological grounds through corroboration. Advocates of maximum likelihood, on the other hand, have based the rational justification for their method largely on statistical grounds. In Part One I outline corroboration in terms of content, severity of test and explanatory power. In Part Two I introduce the two methods. In Part Three I analyze three important debates. The first involves the appropriate probability interpretation for phylogenetics. The second is about severity of test. The third concerns explanatory power. In Part Four I conclude that corroboration can decide none of these debates, and therefore cannot decide the debate between cladistic parsimony and maximum likelihood.

I evaluate the methods of cladistic parsimony and maximum likelihood in phylogenetic systematics by their affinity to Popper‘s degree of corroboration. My work analyzes an important recent exchange between the proponents of the two methods. Until this exchange, only advocates of cladistic parsimony have claimed a basis for their method on epistemological grounds through corroboration. Advocates of maximum likelihood, on the other hand, have based the rational justification for their method largely on statistical grounds. In Part One I outline corroboration in terms of content, severity of test and explanatory power. In Part Two I introduce the two methods. In Part Three I analyze three important debates. The first involves the appropriate probability interpretation for phylogenetics. The second is about severity of test. The third concerns explanatory power. In Part Four I conclude that corroboration can decide none of these debates, and therefore cannot decide the debate between cladistic parsimony and maximum likelihood.

Although codon usage bias has been shown to persist through non-random mutations and selection, many avenues of research into the applications of codon usage bias have remained unexplored. In this dissertation, we present several new applications of codon usage bias and their practical uses in a phylogenetic construct. We first review the literature and provide background into other software applications of codon usage bias in Chapter 1. In Chapter 2, we show that in tetrapods, codon aversion in orthologs is phylogenetically conserved. We further this analysis in Chapter 3 by exploring codon use and aversion across the Tree of Life, providing frameworks for other researchers to analyze different species subsets. We present a novel algorithm to recover species relationships using codon aversion, without regard to orthologous relationships in Chapter 4. We present several other algorithms in Chapter 5 to also recover species relationships using biases in codon pairing. Chapter 6 analyzes the relationship between codon usage bias in viruses that infect humans and proteins found in tissues that they infect. In Chapter 7, we present our discovery of a conservation in coding sequence lengths in orthologous genes that allowed us to accurately recover orthologous gene relationships and reduce overall ortholog identification runtime by over 96%. In Chapter 8 we discuss a novel algorithm for extracting a ramp of slowly-translated codons located at the beginning of gene sequences, allowing researchers to quickly identify translational bottlenecks. Finally, Chapter 9 touches on future applications of codon usage bias in phylogenetics. This dissertation represents a major vertical leap in phylogenetics by providing a framework and paradigm shift toward utilizing codon usage and coding sequence length biases in future analyses.